一次日全食 彻底颠覆人类对宇宙的认识

2017-6-04 14:42:21  来源:米尔  【字体:

  在爱因斯坦的广义相对论问世之初,公众几乎还不知道这位德国物理学家,而且他的新理论还遭到了科学界的极大质疑和正面对抗。直到4年之后,一位英国天文学家主导的一项历史性实验才让爱因斯坦和他的相对论名扬天下。

  广义相对论的一个关键原则是空间不是静态的,物体的运动可以改变空间的结构。相比之下,在牛顿的宇宙观中,空间是“惰性的”。爱因斯坦认为,时间和空间是相对的,空间与另一个维度——时间相结合,创造了一个被称为时空的宇宙结构。物体穿过时空时,这种结构会被物体的质量和运动扭曲、弯曲。

  牛顿和爱因斯坦时空观的一个重大分歧是关于引力对光的影响。虽然经典动力学预言,恒星的引力可以偏转光子的路径,但爱因斯坦认为这个预言只是实际情况的粗略近似。并非是恒星的引力拉扯光子(如牛顿看到的),而是恒星弯曲了空间结构,这就像站在蹦床上的人弯曲了表面一样。光子就像滚过蹦床的小球,沿着弯曲的结构在运动。从光子的角度来看,它总是以直线行进,而时空的扭曲导致了光子的偏转。因此,引力是空间曲率的一个表现。

  事实上,任何有质量的物体都会引起时空的扭曲,但效果甚微,而测试爱因斯坦理论需要像恒星这样质量巨大的物体。今天,借助强大的望远镜,天文学家得以看到宇宙深处,并观测到了诸如星系这样的大质量物体显着地扭曲了时空,改变了在其附近通过的光子的路径,这就是广义相对论预言的引力透镜效应。

  但在20世纪初期,受到设备的限制,这些观测还不可能。而那时欧洲正处于第一次世界大战的中期,这使爱因斯坦的工作被限制于德语科学界。如果不能通过实验来验证,爱因斯坦的这个新理论很可能就会被无限期地冷落在图书馆某个落满灰尘的角落。

  然而,时任剑桥大学天文台台长的英国天文学家亚瑟·爱丁顿爵士(Sir Arthur Eddington)注意到了爱因斯坦的这个奇特新理论,并意识到他可以进行实验来检验这一理论。

  由于太阳是我们太阳系中质量最大的物体,产生的时空弯曲将会是最明显的。但是为了检验广义相对论,天文学家必须研究靠近太阳边缘的背景恒星的位置,从而来确定光线经过太阳附近时发生的偏转角度——广义相对论预言的偏转要比牛顿力学的大一倍。

  然而,太阳非常明亮,想要看到太阳边缘的背景恒星根本不可能,除非把太阳光挡住——日全食。在日全食期间,月球运行至太阳与地球的中间,刚好完全挡住了太阳盘面。

  1917年,英国皇家天文学家弗兰克·沃森·戴森爵士(Sir Frank Watson Dyson)构思了一个实验,在日全食期间绘制靠近太阳边缘的背景恒星的位置,然后与这些恒星在夜空中的正常位置进行比较,则可以观测到时空扭曲效应。

  然后在1919年5月29日,非洲和南美洲出现日全食,爱丁顿将在两年后领导的实验。爱丁顿很清楚,如果恒星的位置以广义相对论预言的方式发生改变,那么证明爱因斯坦是正确的,牛顿的宇宙观将被彻底推翻。

  1919年,在爱丁顿的领导下,皇家学会和皇家天文学会组织了对巴西的热带地区以及非洲西海岸的普林西比岛的远征,这两个地方将会出现全日食。此次日全食非比寻常,其持续时间在20世纪中是最长的,跨度约为6分钟,天文学家将有足够的时间来测量当时正位于太阳边缘的毕星团的相对位置。

  虽然太阳周围的扭曲时空仅使背景恒星光发生了非常微小的偏转(肉眼不可见),但爱丁顿在分析了两处的观测结果之后确认,广义相对论的预言与观测结果一致。太阳确实弯曲了周围的时空,牛顿的绝对空间已被一种全新的理论所取代。自此,爱因斯坦和他的相对论终于名扬天下。

  自98年前的日全食验证以来,科学家以诸多方式不断对广义相对论进行验证,结果每次都证明,爱因斯坦描绘的时空正是我们所生活的宇宙。

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